试论物理文化中的真、善、美

□沈祖荣

一、问题的由来

2014年教育部研制印发 《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》明确起动新一轮的课程改革，最新版各学科课程标准的核心关键词是核心素养，核心素养的基本定位是： “学生发展核心素养，主要是指学生应具备的，能够适应个人终生发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。”。最新普通高中物理课程标准中界定：物理学科核心素养包括：物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任等四个维度。

文化是一个抽象的名词，关于文化的概念， 《辞海》的解释是：文化从广源来说，是指人类社会历史实践过程中所创造的物质财富和精神财富的总和。狭义来说，指社会的意识形态，以及与之相适应的制度和组织结构。国内关于物理文化最早的界定：解世雄在其 《物理文化论》一书中明确指出物理文化是世界历代物理学家在创建物理学理论过程中，发现、创造和形成的物理思想、物理方法、物理概念、物理定律、物理语言符号、价值标准、科学精神、物理仪器设备以及约定俗成的工作方法的总和。最新普通高中物理课程标准中界定的物理学科核心素养：物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任等四个维度和解世雄界定的物理文化同生同源。

文化说不清、道不明，具有隐性，文化作用在有思想意识的人上外显出后有着强大的影响力。结合文化、物理文化及物理学科核心素养，正如庄子名言：“判天地之美，析万物之理。”，物理文化中兼具 “真、善、美”。因此，笔者认为论述及厘清物理文化中“真、善、美”，有助于对普通高中物理学科核心素养的四个维度的理解，有助于为最新课程改革中指导如何培育学生物理学科核心素养指明方向，有助于领会文化高于理念，物理文化高于物理学科核心素养的四个维度的要求，具有其积极意义。

二、厘清物理文化中的 “真” “善” “美”

（一）物理文化中的 “真”的体现

1.体现在研究的对象是客观存在真实的物质。物质的存在形式有场和实物两种。物理学科不仅研究看不见、摸不着，只能通过转换方法来感知的场 （如电场、磁场等），还要研究对象空间尺度上大到宇宙、天体，小到微观粒子、基本粒子，最大和最小的物体之间的空间尺度比值的数量级大约为1043；时间尺度上长至宇宙年龄，短至基本粒子的寿命，最长和最短的物体之间的时间尺度比值的数量级大约也为1043。物理学科是自然科学的基础，研究范围极广，场和实物都要研究，并且场和实物都是客观存在的真实物质。

2.体现在解释现象用的是已经检验的规律或原理。物理定律是在一定条件下通过实验得出，是真实实验的结果并加以提炼出的产物，并且经得起检验的规律；物理定理经逻辑推理的产物，虽不能被直接证明、但是符合公认的基本事实，是属于真理的范畴。现象一定是真实存在的，物理学科在研究的过程中，解释现象的相关定律、定理等规律或原理又是符合事实的规律。显然这也是物理文化中 “真”的体现。

3.体现在渗透的基本理念是讲究证据。凡事讲究证据，是我们为人处世的基本观点，而证据是建立在真实事件的基础上的。证据必须有事实依据，物理学科教学中讲究的就是事实依据，即物理学科教学的基本理念是讲究证据。小到学生一个物理习题的解决，如学生审题了解习题描述的物理情景，通过建模发现物理模型，然后选择合适的物理规律或原理解题；而学生在建模时从原始问题到模型之间要寻找模型成立的依据，即寻找证据，只有证据确凿才能确定选用的物理模型的正确性。大到新理论的发现，物理学发展的基本规律是：理论→实验→理论→实验→……。即可能是先提出新的理论、再用实验现象验证。如果能用实验验证则新的理论则得到公认并推广；如不能用实验验证新的理论就不能被认可；如被实验否定则否定此新提出的理论。也可能是先发现一个新的现象，无法用已有的理论解释，此时有物理学科提出一个新的理论来解释这个现象。提出的新理论只有得到实验反复验证才会被物理界认可、并被推广。可见，物理学科是极其讲究证据的，证据是真的体现。

4.体现在培养实验技能的途径是真做实验。物理是一门实验科学，通过物理学科的实验教学可培养学生的实验技能，而培养学生实验技能时需要学生真正动手做实验。高中物理实验教学的指导思想是：做实验要做到一个 “真”，凡是分组实验都要让学生动手“真”做实验，演示实验也要争取在老师的指导下由学生代表来做。学生真正做过了实验，才能深刻领悟实验的原理、使用器材的注意事项、误差形成原因等，就能触类旁通、举一反三。通过 “真”做实验才能真正培养学生的实验技能，从而使学生对物理现象、规律或原理真懂，这种懂。化知识的积累为能力的提升，这不仅是简单的量的积累、而是质的飞跃。

5.体现在领悟到的为人标准是实事求是。物理学科研究对象都是客观存在真实的物质；遇到的都是在真实实验及严谨的理论，并得到反复验证的的基础上得出的规律或原理；使用的解决问题方法都是有理有据、切实有效的的方法；观测到的实验现象、测量到的实验数据，得出的实验结论都是经得起反复验证的。这样，经过长期的物理学习、工作后培养的职业精神一定是一个 “真”字，反对弄虚作假；从而领悟到为人标准：做人、做事都要实事求是。真可谓：“千教万教教人求真、千学万学学做真人”。正是高中物理学科核心素养培育目标的第四个维度的科学态度与责任的体现。

6.体现在培育学生具有正确的物理观念。物理观念是物理学科核心素养中四个关键词之一。最新高中物理课程标准指出： “物理观念”是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识；是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华；是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。“物理观念”主要包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等要素。学生通过物理学习可以认识到电场、磁场这种看不见、摸不着的客观物质的真实存在，形成物质有实物和场两种存在形态的物理观念；可以理解为什么地面上的人追前面的人需要加速，而卫星对接时后面的卫星追前面的卫星需要先减速再加速；可以理解为什么能量守恒但还要节约能源等。培育学生形成正确的物理观念，增强学生的科学素养，这既是新课改的目标，也正是物理文化中真的体现。

（二）物理文化中的 “善”的体现

1.体现在完善知识系统、形成正确物理观念。完善的物理知识系统是建立正确的物理观念的必要条件。高中物理教材是基于高中物理课程课程标准及学习进阶理论编排设计的，起点要求是具有初中物理学科基础知识、终点目标是能够适应个人终生发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。物理学科学习的首要任务是完善物理知识系统，不同阶段、不同版本的高中物理教材编排结构有所不同，但知识板块均涵盖力学、电磁学、热学、光学及原子物理等分支学科，并且每个分支学科都有不同的育人功能，这些学科知识由点到面再到体形成知识网络系统，并呈螺旋形上升。学生有了完善知识系统，才能建立正确的物理观念。

2.体现在提高智能水平、善于解决实际问题。物理教学要抓好明暗两条主线，明线是物理概念、规律或原理等物理知识的传授、及帮助学生建立物理知识系统及形成正确物理观念；暗线是渗透解决物理问题的方法、指导学生科学思维，提升学生解决实际问题的能力。科学思维是物理学科核心素养的四个方面之一，通过物理问题，指导学生科学思维，选择解决问题最佳的方法，并且物理问题一般是真实存在的问题，所以培养学生的是真能力、具有实战型。学生的思维方法得到科学、规范指导与训练，可有效提高学生解决问题的能力，解决问题的方法多、效率高是人智能水平高的体现。智能水平高的人善于解决各类实际问题，可见，科学思维训练促进人的智能水平是物理学科功能，也是物理文化中 “善”的体现。

3.体现在物理研究具有向善性、杜绝恶性成果产出。物理学史研究表明，科学研究具有向善性，物理是自然学科的基础学科，物理研究也具有向善性。所谓向善性，是指科学研究主流方向都是从对社会进步有益方向。对社会有益或促进科学技术进步有益的科研项目，参与的科学家规格高、人数多、并且容易得到各界的支持；对社会存在潜在威胁的科研得不到科学界主流文化的支持，即使有相关研究成果也会被严格管控，也得不到广泛认可或推广；如果对社会有危害的科研项目，从政府层面会利用法律手段进行干预、制止。可见，物理研究具有向善性，也是物理文化中善的体现。

4.体现在物理助推科技发展，科技促进社会进步。历史上经历过的三次工业革命，即：第一次工业革命，即蒸汽技术革命、第二次工业革命，即电力技术革命、第三次工业革命，即信息技术革命。当今社会正在经历的第四次工业革命，即以互联网产业化，工业智能化，工业一体化为代表，以人工智能，清洁能源，无人控制技术，量子信息技术，虚拟现实以及生物技术为主的全新技术革命。历史发展可知，每两次工业革命之间的时间间隔越来越短、知识、技能呈几何级数量剧增，社会发展的脚步越来越快。物理学是自然科学的基础，物理学推动科学技术进步，科学技术是第一生产力，科学技术促进社会进步。物理助推科技发展，科技发展促进社会进步，可见，这也是物理文化中善的体现。

5.体现在物理学家不计名利、拥有和善之心。物理学史研究表明，助推物理学的进步与发展的科研成果的产生往往需要集体的智慧。这个集体可能是并没有交集的几代物理学家，也可能是同一时期的不同地方的物理学家，也可能是同一个团队物理人。这些人无论认识还是不认识，交流的共同属性是学习并借鉴同行科研成果，而科研成果的推出是物理学家无私的奉献，是不计名利的体现。不同地域物理学家之间的交流、物理学家引领的团队中成员的团结协助，只要是能不计名利、无私的奉献，一定拥有一颗和善之心。可见，这也是物理文化中善的重要体现。

（三）物理文化中的 “美”的体现

1.体现在物理学的抽象之美。原始实际问题情景的描述，通过忽略次要问题因素、突出主要问题因素，提炼出物理问题，再通过抽象分析，建立对应物理模型。物理模型可以用相应的物理规律对应的物理公式来表达。物理公式与数学表达式的区别在于物理公式富有物理意义，同一数学表达式可以描述不同物理情景，但其物理意义完全不同。描述物理规律的物理公式往往比较简洁、一般是初等数学表达形式，物理公式对应的图象也很简洁。这样物理情景——物理公式（数学表达式）——图象之间存在对应关系，物理情景复杂的文字描述，可以用抽象的物理公式或图象来表述。对于学过物理、并且具有物理学科核心素养的人来说，一看到物理公式或图象来表述就能说出物理情景表述效率大大提高，足以体现物理学的抽象之美。

2.体现在物理学的简约之美。物理学规律一般可用物理公式表达，物理公式往往是赋予物理意义的初等数学公式。比如物理学中力学的三大观点中的牛顿运动定律结合运动学的动力学观点，研究运动与力对应关系的动力学基础是牛顿第二定律，而牛顿第二定律可以用∑F=ma 来表达；能量观点中的动能定理可用∑W=△Ek来表达，功能关系可用W重=△Ep、W其他=△E等来表达，机械能守恒定律可用Ek1+Ep1=Ek2+Ep2(要选零势能参考平面)、 ΔEk=-ΔEp或 ΔEA增=ΔEB减来表达；动量观点中的动量定理可用∑I=△P、动量守恒定律可用 m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2或 Δp1=－Δp2来表达，这些表达式虽然简洁、但均含有丰富的物理意义，可谓简洁而不简单，足以体现物理学的简约之美。

3.体现在物理学的和谐之美。物理学的和谐之美体现在一定条件下稳定与统一两个方面。我们所处的缤纷世界也在日新月异的变化，宇宙在不断变化，我们所处的地月系统、日地系统也在不但变化，但月球在绕地球公转、地球在绕太阳公转相对处于稳定状态，一定条件下的稳定状态是一种和谐之美。牛顿发现了牛顿三大定律与万有引力定律把天地运动规律和谐统一；麦克斯韦用

等四个公式组成的麦克斯韦方程组把电学、磁学规律统一起来，并且成功把光学也纳入电磁学的范畴。在物理学家眼里，这种稳定和统一是跨越史诗般的和谐之美。

4.体现在物理学的对称之美。物理学中的对称美体现在：首先像平面镜成像具有对称性、画出的对称性图象，运动轨迹的对称性的对称物理图形之美。其次像一些守恒关系的规律的表达式，如等物理公式的对称之美。再次像匀减速到零的过程可以用对称性可逆思维来解决问题的方法之美。再如像奥斯特发现电流的磁效应 （此处简称电 “生”磁）后，法拉第坚信逆过来 （简称磁 “生”电）一定能行，于是他经过多年不懈努力终于发现了电磁感应现象，法拉第利用这种对称可逆思维大大推进物理学的发展和科学技术的进步。可见物理学的对称美不仅是外在美更是内涵美。

5.体现在物理学的语言之美。物理学科语言是由必要国语 （如中国为汉语）和阿拉伯数字、英文字母、希腊字母等组成。用规范的物理学科语言陈述的科研成果，对于没有物理学科素养的人看来是一堆凌乱不堪、毫无意义、毫无美感可言文字；但有物理学科素养的人看来是用简洁物理公式表达生动的物理意义，抽象的符号描述准确的物理情景，是用较少的文字高效表述科研成果的体现。物理学科语言具有学科特点，兼具抽象、简约以及和谐之美。

三、结束语

物理文化中的 “真、善、美”不仅具有学科某一方面体现的或真、或善、或美的个性，更是 “真、善、美”三者兼具的共性，物理学科的魅力就在于物理学科兼具 “真、善、美”。学生通过物理学科学习，首先是欣赏物理文化中的 “真、善、美”、然后是领悟这种 “真、善、美”，最后内化为学生的物理学科素养中的 “真、善、美”。物理文化中的 “真、善、美”与一新课程改革提出的物理学科核心素养中的物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任等四个维度既是一脉相承，又是物理学科核心素养四个维度跃升到文化层面的体现，并且高于物理学科核心素养的四个维度。

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